新型结构长周期光纤光栅的传感特性研究

发布时间：2020-05-07 00:25

【摘要】：长周期光纤光栅(LPFG)自从上世纪开始就受到了大量研究人员的普遍关注,其拥有其他类型传感器没有的许多优势,在很多领域都有较为良好的应用。本文以高频CO_2激光器写入的普通LPFG为基础,提出了两种基于长周期光纤光栅的新型结构传感器的创新性研究,深入研究了这些新型结构LPFG的传感特性。本文以微扰型LPFG和近螺旋LPFG为研究对象。简述了LPFG的光谱原理及传感特性,进一步研究了微扰型LPFG和近螺旋LPFG的光谱原理。主要内容包括:简单说明了LPFG的基本原理、特性和应用;对常规型和特殊型LPFG的发展近状做了概述。结合模式耦合原理、传递矩阵分析法和相位理论,分析了微扰型LPFG和近螺旋LPFG的光谱特征。本文首先提出了一种微扰型LPFG传感器,该种传感器在常规光栅区域的中间引入一段微扰结构,即一定长度的多模结构。该微扰结构使得原始LPFG透射峰分裂为双峰。详细说明了微扰型光纤光栅的制备方法,研究了该双透射峰的轴向应变和温度传感特性,这两个谐振波长在一定的范围内随着轴向应变和温度线性变化,但是双谐振波长的轴向应变灵敏度都偏低。根据这两个谐振波长的轴向应变和温度灵敏度,可以实现轴向应变-温度的双参量测量。而后研究了两个双透射峰的弯曲和温度的传感特性,结果表明在一定的范围内随着弯曲和温度而线性变化,因此也可以实现弯曲和温度的双参量测量。研究了一种近螺旋LPFG扭转传感器,该传感器是周期性的、垂直的、近螺旋的折射率调制的长周期光纤光栅。近螺旋LPFG的包层耦合模式比普通LPFG的包层耦合模式更高阶。本文介绍了近螺旋LPFG的制备方法,研究了近螺旋LPFG的扭转特性,并对其相关偏振特性进行了实验研究,结果表明谐振波长在顺时针扭转时向着长波方向线性红移,在逆时针方向向着短波方向线性蓝移,且对入射光偏振态不敏感。
【图文】：

图 2.1 LPFG 局部结构示意图此 LPFG 栅区折射率分布的数学表达公式可由式(2-1)表示： eff 1 12n z n 1 z 1 v cos z z ,r r ，1r 表示光纤的芯层半径； z 表示光栅折射率调制分布的包络函数，其为定值，也可以表示对 z 的慢变函数； 表示光栅的周期。v表示纤芯折大小对比度； z 表示附加相移大小，对于折射率分布均匀的光栅来说， 0；折射率均匀分布的 LPFG，光栅的真实折射率变化量表达式可以由式(2-2 effeff 12 2n z n z 1 cos z n z 1 vcos eff n z为在 z 处 长度大小内的真实折射率改变量大小的平均量，也可变量的恒定分量，即 eff1 n z n ( z)。在理想情况下（即忽视光栅扰动带波导下），，模式与模式之间具备正交关系，彼此不会有能量的交换，横向

哈尔滨工程大学硕士学位论文以得到 LPFG 的透射比T 以及光谱损失大小D，它们分别表示 22111MR LT aR L 22211MS LD aS L PFG 的理论分析出的微扰型光栅是基于在单模-多模-单模光纤结构上制作 LPF微扰型光栅的局部结构示意图如下图 2.2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

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本文编号：2652108